液压挖掘机的现代设计方法与发展趋势

现代设计方法是传统设计方法的深入、丰富和完善,是用系统的观点,考虑自然科学、社会科学经济科学等诸多现代因素,从而获得质高、价廉、有创新产品所使用的设计程序、规律及设计中的思维、工作方法和工具的总和;现代设计方法是以研究产品设计为对象的科学,它以计算机为手段,运用工程设计的新理论和新方法,使计算结果达到最优化,使设计过程实现高效化和自动化;现代设计方法是传统设计方法的延伸和发展,是人们把相关科学技术综合应用于设计领域的产物,它使传统设计方法发生了质的变化。

现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。它是以设计产品为目标的一个总的知识群体的统称,是为了适应市场剧烈竞争的需要,提高设计质量和缩短设计周期,以及计算机在设计中的广泛应用,于20世纪60年代以来在设计领域相继诞生与发展的一系列新兴学科的集成。现代设计方法种类繁多,内容广泛,如我们熟悉的优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、有限元法等,这些设计方法已经较为成熟,形成了完整的设计体系。另外,工程实际中还逐渐出现了许多新的设计思想和设计方法,如创新设计、快速响应设计、智能设计、全寿命周期设计、绿色设计、并行设计等,这些设计思想和方法都是随着社会的发展、人们思想观念的更新和科学技术的发展而提出的。由于它们对节能、环保、改进产品性能和增加产品市场竞争能力等方面的重要性,因此现代设计方法受到越来越多的重视。

现代设计方法在液压挖掘机设计中的应用，有限元法是最重要的工程分析方法之一,是20世纪60年代发展起来的新的数值计算方法。随着计算机技术的发展,有限元法在各个工程领域中得到深入应用,它不仅用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题的求解,而且在工程设计中还可进行复杂结构的静态和动态分析,并能准确地计算形状复杂零件的应力分布和变形,成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析工具。

有限元法的基本思想是将结构离散化,用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象,单元之间通过有限个节点相互连接,然后根据变形协调条件综合求解。在有限元法中,常以节点位移作为基本未知量,并假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律,再利用力学原理中的变分原理或其他方法,建立节点力与位移之间的力学特性关系,得到一组以节点位移为未知量的代数方程,从而求解节点的位移分量,然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。

由于液压挖掘机零部件结构的复杂性、多样性及挖掘机工作过程中零部件所承受的荷载的复杂性,过去惯用的经典力学方法进行结构分析带有很大的局限性,计算模型构造过于简单,导致计算结果过于粗糙,不精确,影响了液压挖掘机设计技术的发展。目前,有限元法成为液压挖掘机主要结构件力学分析的主要手段。通过应用有限元法,可以获得零部件的应力分布、变形分布和结构的固有特性、动态响应等数据。应用这些数据可以对挖掘机零部件(如动臂、斗杆、回转平台等)进行最优方案设计,通过对方案的计算结果进行对比分析,得到较合理的结构。

目前已有许多成熟的大型有限元分析软件,如SAP、 ADINA、 ANSYS、DEAS、 NASTRAN等。另外,在Po/ Engineer、 SIDEAS、UG等三维建模与分析软件中,也包含了有限元分析模块,可在结构模型的基础上直接对结构进行有限元分析。这些软件使用极其方便,不需要对有限元法进行很深入的了解,便可应用这些软件求解实际工程问题。有限元法在机械产品结构设计中的应用,使产品设计产生了革命性的变化。